引言

　　智能制造、協(xié)同制造等先進(jìn)制造模式對車間數(shù)字化制造設(shè)備的要求越來越高。車間是一個不確定的系統(tǒng)，而人具有形象思維的能力，把人的智能和生產(chǎn)設(shè)備的自動化結(jié)合起來將為制造企業(yè)的信息集成和協(xié)同制造創(chuàng)造很好的條件，而開展基于智能移動設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)的研究，即掌上數(shù)控系統(tǒng)(PalmCNC)，將為底層生產(chǎn)設(shè)備的控制和上層管理層的信息交流提供很好的平臺。

1 數(shù)控系統(tǒng)的模型

　　1.1 掌上數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的選擇

　　掌上數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺選擇Pocket PC。它的優(yōu)點是可以在任何時間、任何地點通過無線通信技術(shù)(802．11或藍(lán)牙)得到想要的信息，同時也能在任何時間任何地點對信息進(jìn)行編輯和發(fā)布。這種獲取和編輯發(fā)布信息的實時性特點有利于對數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與開發(fā)；有利于開發(fā)方便管理者或操作者在車間對數(shù)控設(shè)備進(jìn)行實時管理、實時控制和實時在線幫助的數(shù)控系統(tǒng)。

　　1.2 Palm CNC的無線通信技術(shù)

　　802．11 g標(biāo)準(zhǔn)與以前的802．11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相比有以下特點：在2．4 G頻段使用OFDM調(diào)制技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸速率提高到54 MB／s；802．11 g標(biāo)準(zhǔn)能夠與802．11 b的WiFi系統(tǒng)互相連通，存在于同一AP網(wǎng)絡(luò)里，保障了后向兼容性。802．11 g無線通信標(biāo)準(zhǔn)具有高移動性、可擴(kuò)充性強、建設(shè)成本低、抗干擾能力強、通信速度高等特點，能夠保證在車間復(fù)雜而又惡劣環(huán)境下安全工作。所以對于Palm CNC而言，選用802．119無線通信的標(biāo)準(zhǔn)是完全可行的。

　　1.3 數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)模型

Palm CNC能夠與車間管理層和車間設(shè)備層相互通信，實現(xiàn)信息交換，即向上能動態(tài)地向車間管理層反饋車間設(shè)備層的實時工作情況，同時也能從車間管理層獲取實時的調(diào)度信息和其他在線幫助；向下能動態(tài)控制車間設(shè)備層，動態(tài)采集車間設(shè)備的實時信息，特別是對普通設(shè)備的信息收集。能夠發(fā)揮Pocket PC的移動能力，從車間管理層下載NC程序，然后傳到相應(yīng)的數(shù)控設(shè)備上，減少輸入的錯誤。從而實現(xiàn)車間底層信息收集一反饋一控制三位一體化，使車間構(gòu)成一個真正意義上的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1車間數(shù)字一體化閉環(huán)系統(tǒng)原理圖

　　可以看出，車間管理層(車間服務(wù)器)、數(shù)控系統(tǒng)(PDA)和車間設(shè)備層可以通過無線通信進(jìn)行信息交換，而要提高信息在車間底層的互流動能力，就必須豐富數(shù)控系統(tǒng)的功能，可以采用c／s或B／S結(jié)構(gòu)。經(jīng)過分析和討論后，提出了如圖2所示的Palm CNC模型。它采用事件驅(qū)動，因而具有良好的可擴(kuò)展性。

圖2 PalmCNC模

　　1.4 數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖3是Palm CNC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。是一種可重構(gòu)的、支持制造系統(tǒng)無縫集成的新型數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)基于移動客戶/Web服務(wù)器模式的結(jié)構(gòu)，它的核心是把移動設(shè)備(掌上電腦和智能手機(jī))引進(jìn)來，將數(shù)控系統(tǒng)分為數(shù)控移動控制器(客戶端)和數(shù)控設(shè)備控制器(固定在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、AGV小車等數(shù)字化設(shè)備上的Web服務(wù)器)兩部分，從而不僅徹底改變?nèi)艘栏接跈C(jī)器的傳統(tǒng)人機(jī)界面(HMI)操作模式，而且用瀏覽器的統(tǒng)一人機(jī)界面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相互獨立的人機(jī)界面(即傳統(tǒng)的c/s模式下的客戶端人機(jī)界面)。這樣.只要有一個安裝了Web瀏覽器的移動控制器。就可以操作任何數(shù)字化設(shè)備。

圖3 Palm CNC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

　　(1)服務(wù)提供層

　　設(shè)備控制器作為Web服務(wù)器，支持ISO-OSI網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)規(guī)范，具有很強的開放性。它通過藍(lán)牙或者802.11等無線通信技術(shù)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，向移動控制器或者其他網(wǎng)絡(luò)用戶提供Web服務(wù)。它支持標(biāo)準(zhǔn)的總線型、星型、環(huán)型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從客戶/服務(wù)器的角度看，過去的CNC僅通過接口與外界進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)交換，是封閉的;數(shù)控系統(tǒng)從內(nèi)部支持開放式系統(tǒng)互聯(lián)規(guī)范，因而它是真正開放的。它的開放性體現(xiàn)在:建立在本身就具有開放性的PC資源基礎(chǔ)上，軟硬件資源豐富;支持ISO-OSI互聯(lián)規(guī)范;數(shù)控系統(tǒng)支持Internet/ Intranet的wwW服務(wù)和WebBrowser瀏覽器瀏覽。

　　(2)本地服務(wù)請求層

　　移動控制器是數(shù)控系統(tǒng)重要組成部分，稱其為本地服務(wù)請求者。本地服務(wù)請求者可通過兩種方式訪問機(jī)床控制器(Web服務(wù)器):若客戶端具有Web瀏覽器，可通過瀏覽器訪問統(tǒng)一的Web服務(wù)界面(它在客戶端表現(xiàn)為網(wǎng)頁形式);對于不支持Web瀏覽器的設(shè)備，可通過客戶端程序(如WindowsForms)訪問Web服務(wù)，這是一種非網(wǎng)頁形式。

　　(3)車間服務(wù)請求層

　　數(shù)控系統(tǒng)的車間服務(wù)請求者主要是車間PDA和車間內(nèi)部服務(wù)器。車間PDA不同于一般的掌上電腦和PDA，可以被抽象為調(diào)度Agent，和無線通信技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，形成一個包括人在內(nèi)的MAS車間控制系統(tǒng)，實現(xiàn)靈活而快速的判斷、決策與控制。由于車間調(diào)度與控制具有復(fù)雜性和不確定性，所以掌握數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)、現(xiàn)場參數(shù)等很重要。

　　(4)遠(yuǎn)程服務(wù)請求層

　　任何遠(yuǎn)程設(shè)備都可以通過Web瀏覽器查找相關(guān)數(shù)控系統(tǒng)的Web服務(wù)，實現(xiàn)對車間底層數(shù)控設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程技術(shù)咨詢等功能，真正支持全球制造和信息共享。

　　這4個層次并沒有嚴(yán)格的界限。服務(wù)請求層的某些設(shè)備同樣也能對外提供服務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出有如下特點：實現(xiàn)了車間設(shè)備的集成；計算機(jī)通信和資源共享；基于Internet／Intranet的企監(jiān)乃至全球范圍內(nèi)的信息集成與共享。

2 數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺的選擇

　　目前，能對Pocket PC進(jìn)行開發(fā)的語言主要有Embedded Visual C++(EVC)、Embedded VisualBasic襄Visual C葬，這里采焉C#。C#是基前程痔設(shè)計語言“以效率換安全”發(fā)展潮流的一個產(chǎn)物。與C和C++相比，C#程序運行起來更安全。C#的安全性還表瑗在網(wǎng)絡(luò)傳播上。圊時C#還是甭向?qū)ο蟮默F(xiàn)代程序設(shè)計語言。這里采用開發(fā)工具．NetCompact Framework。

3 數(shù)控系統(tǒng)運行模式

　　Pocket PC作為數(shù)控系統(tǒng)具有移動控制器的特性，它以移動客戶端/Web服務(wù)器的模式運行，作為一種智能客戶端，它能充分利用W eb服務(wù)所提供的信息。Web服務(wù)是應(yīng)用程序通過內(nèi)部網(wǎng)或因特網(wǎng)發(fā)布和利用軟件服務(wù)的一種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。這種模式下，Pocket PC采用本機(jī)代碼+Web服務(wù)方式。通過Web服務(wù)調(diào)用，Pocket PC可以調(diào)用其他數(shù)字化制造一設(shè)備上的功能，通信模型如圖4所示。

圖4掌上數(shù)控系統(tǒng)通信模型

　　Pocket PC主要完成加工程序代碼編制、仿真、機(jī)床調(diào)整、參數(shù)設(shè)置等工作。在這種模式下，數(shù)控系統(tǒng)大部分操作將在具有移動特點的Pocket PC上進(jìn)行，Palm CNC的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Palm CNC軟件結(jié)構(gòu)圖

　　對于任何W eb服務(wù)器上提供的Web服務(wù)，只要連接到Www互聯(lián)網(wǎng)并且取得訪問這些Web服務(wù)的遠(yuǎn)程主機(jī)的權(quán)利，均可以通過HTTP方式接受這些Web服務(wù)。由于Pocket PC也是通過HTTP方式訪問數(shù)字化制造設(shè)備，所以雖然未經(jīng)過WWW互聯(lián)網(wǎng)，通過授權(quán)，Pocket PC也能夠訪間Web服務(wù)。

　　通過引用Web服務(wù)的UF2L地址，Pocket PC獲得了Web服務(wù)的Web引用(或稱代理)?，F(xiàn)在，Pocket PC便可通過代理調(diào)用數(shù)字化制造設(shè)備上的Web務(wù)。通過WWW互聯(lián)網(wǎng)，其他計算機(jī)可以通過UI7I7I發(fā)現(xiàn)并調(diào)用這些Web服務(wù)。

4 Palm CNC原型系統(tǒng)及其特點

　　4.1 Palm CNC原型系統(tǒng)

　　在自行研制的數(shù)控齒輪加工單元上進(jìn)行PalmCNC的實驗，該單元由2臺數(shù)控車床和1臺六軸數(shù)控滾齒機(jī)組成。原來的數(shù)控系統(tǒng)是在工控機(jī)DOS操作系統(tǒng)上開發(fā)的，現(xiàn)在改用Windows CE5．0，另外配置了無線適配器。移動控制器則采用PocketPC。移動控裁器和3務(wù)數(shù)控枧床通過1食802.11光線路由器和局域網(wǎng)連接。

　　4.2 Palm CNC的特點

　　(1)具有良好的開放性

　　從客戶/服務(wù)器的角度，過去的CNC僅通過接口與外界進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)交換，是封閉的;Palm CNC從內(nèi)部支持開放式系統(tǒng)互聯(lián)規(guī)范，因而它是真正開放的。

　　(2)支持系統(tǒng)跨平臺無縫集成

　　Palm CNC引入Web Services技術(shù)，在，NETFramework架構(gòu)下進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計:實現(xiàn)了車間設(shè)備的跨平臺無縫集成，實現(xiàn)了系統(tǒng)資源共享，可以對車間底層數(shù)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程技術(shù)咨詢等操作，真正支持遠(yuǎn)程信息共享和系統(tǒng)跨平臺集成。

　　(3)支持人機(jī)協(xié)同制造

　　數(shù)控設(shè)備控制器作為Web服務(wù)器，通過藍(lán)牙或者802.11等無線技術(shù)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，向移動控制器或者其它網(wǎng)絡(luò)用戶提供web服務(wù)。這種具有移動控制功能的數(shù)控移動控制器就成了一種理想的智能化的人機(jī)協(xié)同工具。它可以隨時隨地獲取信息，使人的形象思維、直覺判斷和經(jīng)驗與基于長期存儲、精確推理與快速數(shù)據(jù)處理的機(jī)器智能結(jié)合起來，實現(xiàn)靈活快捷的最佳決策。這種人機(jī)協(xié)同的制造模式，能夠更好地實現(xiàn)車間底層信息集成。Palm CNC能夠適應(yīng)車間人機(jī)協(xié)同數(shù)字化制造，構(gòu)成人機(jī)協(xié)同數(shù)字化制造單元(human-machine cooperative cell，簡稱HMCC)。

　　(4)支待互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同制造和全球制造

　　將面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(service-orientedarchitecture，簡稱SOA)的軟件思想和基于Web服務(wù)的編程技術(shù)引入基于Web服務(wù)的移動客戶/W eb服務(wù)器模式的Palm CNC中，將數(shù)控系統(tǒng)的功能劃分成一個個的Web服務(wù)。這些服務(wù)可以分布在不同的平臺上，從而把傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)擴(kuò)展成更強大、更通用的Web服務(wù)器，而無論是移動設(shè)備還是遠(yuǎn)端的PC機(jī)，都是以瀏覽器為統(tǒng)一人機(jī)界面的客戶端。這種基于Web服務(wù)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠更好地滿足開放式數(shù)控系統(tǒng)對可互換性、可伸縮性、可移植性、可擴(kuò)展性和可互操作的要求，從而支持基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同制造和全球制造。

5 結(jié)束語

　　對掌上數(shù)控系統(tǒng)(Palm CNC)進(jìn)行了建模，研究了運行模式，定義了功能體系，在．NET Framework架構(gòu)下，進(jìn)行了一些關(guān)鍵性技術(shù)的研究，初步實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的功能，建立了原型系統(tǒng)，其具有良好的開放性，支持系統(tǒng)跨平臺無縫集成，支持人機(jī)協(xié)同制造，支持互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同制造和全球制造。